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EP1492635B1 - Verfahren und prägewerkzeug zur herstellung eines bauteils aus einem wölbstrukturierten blech - Google Patents

Verfahren und prägewerkzeug zur herstellung eines bauteils aus einem wölbstrukturierten blech Download PDF

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Publication number
EP1492635B1
EP1492635B1 EP03745765A EP03745765A EP1492635B1 EP 1492635 B1 EP1492635 B1 EP 1492635B1 EP 03745765 A EP03745765 A EP 03745765A EP 03745765 A EP03745765 A EP 03745765A EP 1492635 B1 EP1492635 B1 EP 1492635B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
die
blank
fixing
component
ram
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP03745765A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1492635A1 (de
Inventor
Günter Braun
Jürgen EHRENPFORT
Martin GRÜNBAUM
Bernd Heim
Dieter Lange
Michael Schwabe
Daniela Seitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1492635A1 publication Critical patent/EP1492635A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1492635B1 publication Critical patent/EP1492635B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools

Definitions

  • the invention relates to a method of producing a metal sheet component, in particular a body panel, and an embossing tool for producing such a component (see for example WO-A-01/58615).
  • a stiffening with a much lower directional dependence can be achieved if the sheets - instead of the Aufickung - by buckling deformation with a so-called "vaulting"provided;
  • This method is described for example in DE 44 37 986 A1.
  • the sheet is only locally folded during vaulting; This is associated with only a small increase in surface area of the material.
  • the buckling deformation takes place in a continuous process, so that entire material webs (or band-like areas on them) are provided with the vault structure.
  • To produce stiffness-enhanced body parts blanks are cut out of these webs, from which then the desired components are manufactured by further process steps.
  • DE 199 42 383 A1 describes a motor vehicle floor, which is produced by deep-drawing a vault-structured sheet metal.
  • the invention is therefore based on the object to propose a method by means of which vault structuring can be locally smoothed. Furthermore, the invention has the object to provide a tool that allows a simple and reliable process smoothing a localized terminal zone on a vault structured component.
  • a component blank - ie a suitably shaped vault structured sheet metal section - in a stamp and a die comprehensive Embossing tool formed.
  • the embossing tool is designed so that in the region of the stiffening zones, the vault structure originally present on the component blank is not affected, while in the terminal zones the vault structure is smoothed.
  • the punch of the embossing tool is designed in several parts: The punch comprises a fixing die, which is arranged in a region corresponding to the component-stiffening zone of the punch and its function - in cooperation with a leading fixing on the die - consists in the To fix the blank in the tool without deforming it.
  • the punch comprises a relative to the fixing punch displaceable forming die, which is arranged in the terminal zone of the component corresponding portion of the punch and its function - in cooperation with a forming portion opposite this part of the die - is to smooth the sheet locally in the terminal zone (see claim 3).
  • the fixing punch of the embossing tool is first raised on quills, and the component blank is placed in the desired orientation on the fixing die; by lowering the die of the embossing tool, the blank is then clamped in the region of the stiffening zone by the leading fixing element of the die relative to the stamp; the position of the blank in the tool is thus fixed. Subsequently, the die is further lowered, wherein between the mutually corresponding forming areas on punch and die, the connection zone is formed (see claim 1).
  • connection zones on the vault-structured blank in which the arching structure is largely removed.
  • the components can be connected in the following production steps with the aid of conventional joining methods - for example by spot welding or seam welding in the shell or by screw in the assembly - with connecting parts.
  • the vault structure of the stiffening zones remains undeformed.
  • the embossing tool according to the invention can produce components in a reproducible manner, which are provided in selected stiffening zones with a (approximately direction-independent) arch structure, in adjacent terminal zones, however, have an approximately smooth surface structure.
  • the end face of the Fixierstempels is provided with a surface contour which corresponds to the Völb Modelltechnik of the blank (see claim 4).
  • This has the advantage that when inserting the blank in the embossing tool a defined orientation and position of the blank is supported in the tool, which corresponds to the position and orientation of the surface structure of the Fixierstkovs.
  • the arch structure of the sheet can be aligned with high precision relative to the forming areas of the embossing tool, so that the smoothed terminal zone produced in the course of the embossing process is positioned with high accuracy with respect to the arch structure of the stiffening zone.
  • the cooperating with the fixing ram leading fixing element of the die is preferably made of an elastic material, in particular of a rubber (see claim 5).
  • the end face of the Fixierstempels fits elastically to the vault structure;
  • the fixing element is compressed, whereby the fixing force exerted by the fixing element is increased to the blank.
  • the blank is thus clamped during the smoothing of the terminal zone with high force (and thus slip-proof) between the fixing ram and fixing.
  • the fixing element can be configured as a spring-loaded slider whose end face is provided with a crowning structure (complementary to the end face of the fixing punch) (see claim 6).
  • the blank is in the range the stiffening zone clamped form-fitting between fixing and fixing.
  • FIG. 1a shows a blank 1 made of vault-structured sheet metal, from which a component 2 illustrated in FIG. 1b-in the present example a motor vehicle rear wall 3 -is produced using the embossing method according to the invention; the outer contour of the component 2 is indicated by dashed lines on the blank 1 of Figure 1a.
  • the component 2 has a vault-structured stiffening zone 4, in which the original Völb Modelltechnik of the blank 5 is maintained; In the edge regions 6, 6 ', 6 "and in a region 7 located inside the component, the component 2 is provided with connection zones 8, 9 which are substantially free of arch structures and have the shape of flat flanges
  • the stiffening zone 4 of the component 2 has a hexagonal symmetry, which is indicated diagrammatically by a honeycomb pattern in FIGS 1a and 1b
  • the lattice constant 10 and the camber height of the honeycomb pattern 5 is the thickness of the component 2 and the desired increase in rigidity (FIG. or the desired vibration properties) of the component 2.
  • the blank 1 or the component 2 can also have a curved structure with a trigonal or a rectangular basic symmetry.
  • the vault-structured blank 1 is produced from a flat sheet metal (not shown in the figures) by means of a bulging method, which is described in detail, for example, in DE 44 37 986 A1. Since the introduction of the arch structure 5 takes place in a continuous process, the blank 1 has the vault structure 5 on its entire surface; Alternatively, the blank 1 in one (or more) band-like strip (corresponding to the feed direction of the bulge method) may be provided with a vault structure 5, but in adjacent strips be free of arch structures.
  • FIGS. 2a to 2c show, in a schematic, highly simplified illustration, a detail of a press 11 which contains a liftable press ram 12 and a fixed press table 13.
  • the stamping tool 14 required for forming the component blank 1 consists of a punch 15 and a die 16.
  • Perspective views of the die 16 and punch 15 are shown in FIGS. 3a and 3b.
  • the die 16 comprises a matrix base 17, from which two leading fixing elements 18 protrude.
  • the leading fixing elements 18 are formed by sleeve-shaped sections 19 made of a rubber, which are fixed in position by means of mandrels 20 which run in the interior of these sleeves 19.
  • the matrix base body 17 comprises bulging regions 21 whose end faces 22 have a bulge structure 5 corresponding to the blank 1; this vault structuring 5 is shown greatly exaggerated in Figures 2a to 2c for better identification.
  • the matrix base body 17 comprises smoothing areas 23, 24, which have a substantially smooth surface;
  • the matrix base 17 includes recesses 25th
  • the punch 15 is made in two parts and consists of a central fixing punch 26 which is surrounded by an annular forming punch 27.
  • the fixing punch 26 has two approximately circular pressure areas 28 and circumferential edge areas 29, the end faces of which are provided with a surface contour 30, 30 ', which is the vault-structured surface contour 5 of the blank 1 corresponds.
  • the surface contour 30 'of the edge regions 29 of the fixing punch 26 is designed to be complementary to the contouring of the bulge regions 21 of the matrix base body 17, so that when the press ram 12 is lowered, the die 16 and the punch 15 correspond positively to one another in these regions 21, 29.
  • the forming punch 27 has a smoothing area 31, which is designed to be complementary to the opposite smoothing area 23 of the die 16.
  • the smoothing areas 23, 31 of the die 16 and of the forming die 27 have complementary projections 32 and depressions 33, respectively, which serve for embossing beads 34 into the blank 1.
  • These beads 34 act on the component 2 - as will be explained below - as a "consumer", which absorb the resulting during the embossing process in the terminal zones 8, excess material.
  • Figures 2a to 2c show several stages in the manufacture of the component 2 by means of the embossing tool 14 according to the invention.
  • Figure 2a shows the opened tool 14 at the beginning of the embossing process.
  • the blank 1 cut out of a vault-structured semifinished product of FIG. 1 is inserted into the pressing tool 14 in such a manner that the position and orientation of the arching structure 5 of the blank 1 exactly match the position and orientation of the printing area 28 and the edge regions 29 of the fixing punch 26 predetermined vault structure 30 matches. This is important because (in particular in the transition regions 35 between stiffening zones 4 and connecting zones 8) the orientation of the arch structure 5 of the sheet influences the directional rigidity of the component 2.
  • the arch structure 5 should be oriented in the stiffening areas 4 in such a way that the axis of symmetry 36 of the component 2 is aligned with one of the axes of symmetry of the hexagonal arch structure, as shown in FIG 5 matches.
  • the connection zones 8 must be arranged opposite to the stiffening zone 4, that in the area of the upper edge 6 'of the transition 35' between the stiffening zone 4 and the terminal zone 8 is formed by the serrated edges of the vaulted pattern 5, while in the region of the lower edge 6 "of the transition 35" between the stiffening zone 4 and terminal zone 8 centrally through the hexagons of the arch structure 5 runs.
  • This desired alignment of the arch structure 5 with respect to the axis of symmetry 36 is predetermined in the stamping tool 14 by the orientation of the arch structure 30, 30 'in the fixing punch 26.
  • the highly accurate positioning of the blank 1 relative to the fixing punch 26 can take place in two different ways: either the blank blank 1 can be cut to such a high precision that selected edges 37, 37 'of the blank 1 are highly accurate with respect to position and orientation with respect to the arch structure 5 of the blank Blanks 1 are aligned; For example, the blank 1 of Figure 1a is exactly cut so that the edges 37,37 'run exactly through the centers of adjacent honeycomb.
  • the highly accurate positioning of the blank 1 takes place in the fixing punch 26 by means of (not shown in the figures) positioning pins to which the edges 37,37 'of the blank 1 are struck. This assumes that the blank 1 has been cut with the required accuracy (usually 0.1 mm).
  • an alignment of the blank 1 in the fixing die 26 can be made in such a way that the blank 1 - is inserted into the fixing die 26 - by using gravity - that the arch structure 5 of the blank 1 exactly with the through Surface contour 30,30 'of the fixing punch 26 predetermined alignment of the arch structure coincides.
  • the highly accurate alignment of the blank 1 relative to the arch structure 30 of the fixing die 26 is necessary to ensure that the arching structure 5 of the blank 1 suffers as little damage as possible in the stiffening zones 4 during the stamping process, so that this stiffening zone 4 on the component 2 is as unscathed as possible preserved.
  • the fixing punch 26 is spring-loaded relative to the forming punch 27 and, with the embossing tool 14 open, is arranged in advance.
  • the forming punch 27 is vertically offset relative to the fixing punch 26 with the projections 32 provided in the smoothing areas 31, so that the leading fixing punch 26 presents in this tool position the blank 1 wölb Camilltechnisch areas 28,29, to which the blank. 1 in a clear position and orientation can be inserted.
  • the press ram 12 is lowered (see Figure 2b). In this case, the leading fixing elements 18 first contact the blank 1. Upon further lowering of the press ram 12, the blank 1 is clamped between the leading fixing elements 18 of the die 16 and the pressure areas 28 of the fixing punch 26 opposite to each other. This clamping ensures that the blank 1 does not slip during the subsequent embossing process, but is fixed in the desired position and orientation in the embossing tool 14.
  • the pressing pressure acting on the fixing elements 18 causes a compression of the fixing elements 18, which leads to an additional application of pressure to the blank 1 -and thus to an improved fixation in the tool 14. Due to the free space 25 of the fixing elements 18 adjacent areas of the die 16, the bulge occurring in the rubber-elastic fixing elements 18 is not hindered.
  • the hardness or the advance distance 39 of the fixing 18 is dimensioned so that a certain desired holding force is exerted on the blank 1 by the fixing elements 18 when the actual embossing process begins.
  • the embodiment shown in Figures 2a to 2c of the fixing ram 18 as a rubber spring has the advantage that the elastic material of the fixing ram 18 tolerances in the vault structure 5 of the blank 1 or inaccuracies during insertion of the blank. 1 As a result of lateral deflection of the rubber material, the blank 1 can be pressed into the bulge structure 30 of the opposite pressure region 28 on the fixing punch 26 by the fixing element 18.
  • the fixing element 18 may be formed by a gas pressure spring, the end face of which is provided with a pressure relief areas 28 complementary Völb Modelltechnik.
  • a rubber mat can continue to be placed for tolerance compensation between the pressure area 28 and the blank 1.
  • the press ram 12 If the press ram 12 is lowered so far that the bulge areas 21 of the die 16 touch the blank 1, then the blank 1 is clamped in these areas between the die 16 and the fixing punch 26. Another feed of the press ram 12 now leads to a repression of the spring-mounted fixing punch 26 together with the clamped blank 1.
  • the clamped blank 1 is pressed onto the fixing die 26 surrounding forming die 27, whereby on the blank 1, the lateral connection zones 8 and in this Regions provided beads 34 are formed; At the same time, the central connection zone 9 is formed.
  • the fixing punch 26 acts as a hold-down device, which permits a defined flow of material from the adjacent reinforcing zone 4 into the connection zone 8 in the transition regions 35.
  • connection zone 8 is associated with a redistribution of the material present in these areas:
  • the surface enlargement generated in the course of vaulting must be deliberately consumed in order to avoid the formation of wrinkles or radiations on the component 2.
  • the exact Position, height, width and orientation of the beads 34 are expediently determined in a simulation of the stamping process, which explicitly takes into account the elongation properties of the material used, the properties of the honeycomb structure, etc.
  • the beads 34 are coordinated with each other so that long-wave Beul Modellen be avoided on the component 2.
  • connection zone 9 a peripheral bead 40 is provided at the edge, which serves as a consumer and on the one hand prevents wrinkles in the smoothed connection zone 9, on the other hand avoids emissions into the stiffening zone 4 inside.
  • corresponding smoothing region 41 is lowered on the fixing die 26 relative to the surface-contoured edge region 29 surrounding it, so that at this point a (corresponding to a consumer) stage 42 is provided on the fixing die 26.
  • a complementarily shaped step 42 ' is provided on the matrix base 17, a complementarily shaped step 42 'is provided.
  • the formed blank 1 is laser cut to obtain the component 2 of Figure 1b.
  • the circumcision can be done after the embossing process by means of a cutting tool.
  • the inventive method is particularly suitable for the production of components 2 made of aluminum sheets, but can continue to be used for forming blanks 1 from any thermoformable materials.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Metallblech, insbesondere eines Karosserieblechs, sowie ein Prägewerkzeug zur Herstellung eines solchen Bauteils (siehe z.B. WO-A-01/58615).
  • Viele Bauteile im Automobil-Karosseriebau müssen hohe Anforderungen in bezug auf die Form- und Biegesteifigkeit erfüllen. Solche Bauteile werden im Regelfall aus Blech gefertigt und werden herkömmlicherweise zur Erhöhung der Form- und Biegefestigkeit mit Sicken versehen. Allerdings führt die Versickung der Bleche zu einer stark richtungsabhängigen Steifigkeitserhöhung: So sind Blechstreifen mit in Längsrichtung angeordneten Sicken zwar biegesteif in Längsrichtung, sie besitzen aber nur eine geringe Torsionssteifigkeit und sind biegeweich in Querrichtung. Eine gleichmäßige homogene Versteifung der Bleche kann durch Einprägen solcher Sicken daher nicht gewährleistet werden.
  • Eine Versteifung mit einer wesentlich geringeren Richtungsabhängigkeit kann erreicht werden, wenn die Bleche - anstelle der Versickung - durch Beulverformung mit einer sogenannten "Wölbstrukturierung", versehen werden; dieses Verfahren ist beispielsweise in der DE 44 37 986 A1 beschrieben. Im Gegensatz zu der Wirkung klassischer Umformverfahren (wie z.B. Tiefziehen), bei denen während des Umformens eine Plastifizierung des Blechs stattfindet, wird das Blech beim Wölbstrukturieren lediglich lokal gefaltet; dies ist verbunden mit einer nur geringen Oberflächenvergrößerung des Materials. Die Beulverformung erfolgt in einem Durchlaufverfahren, so daß gesamte Materialbahnen (bzw. bandartige Bereiche auf ihnen) mit der Wölbstruktur versehen werden. Zur Herstellung steifigkeitserhöhter Karosseriebauteile werden aus diesen Materialbahnen Rohlinge ausgeschnitten, aus denen dann durch weitere Prozeßschritte die gewünschten Bauteilen gefertigt werden. So beschreibt beispielsweise die DE 199 42 383 A1 einen Kraftfahrzeugboden, der durch Tiefziehen eines wölbstrukturierten Blechs hergestellt ist.
  • Schwierigkeiten treten allerdings auf, wenn Karosserieteile aus wölbstrukturiertem Blech unter Verwendung herkömmlicher Fügeverfahren (Punktschweißen, Schraubverbindungen etc.) mit anderen Bauteilen verbunden werden sollen. Aufgrund der Wölbstrukturierung des Bauteils kann nämlich in den Anschlußzonen, in denen das wölbstrukturierte Bauteil mit anderen Bauteilen gefügt werden soll, kein flächenhaftes Aufeinandertreffen mit den Fügepartnern sichergestellt werden. Um ein prozeßsicheres, hochfestes Fügen solcher Bauteile mit Hilfe eines Schweißverfahrens - bzw. eine formschlüssige Schraubverbindung - sicherstellen zu können, muß in den Anschlußzonen die Wölbstrukturierung der Bauteile weitestgehend entfernt werden, damit die Bauteile in diesen Anschlußzonen flächenhaft auf (flachen) Anbindungsbereichen anderer benachbarter Baugruppen aufliegen können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit Hilfe dessen Wölbstrukturierungen lokal geglättet werden können. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug bereitzustellen, das eine einfache und prozeßsichere Glättung einer lokal begrenzten Anschlußzone auf einem wölbstrukturierten Bauteil ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.
  • Danach wird zur Erzeugung des gewünschten Bauteils ein Bauteil-Rohling - d.h. ein geeignet geformter wölbstrukturierter Blechabschnitt - in einem einen Stempel und eine Matrize umfassenden Prägewerkzeug umgeformt. Das Prägewerkzeug ist so gestaltet, daß im Bereich der Versteifungszonen die ursprünglich auf dem Bauteil-Rohling vorhandene Wölbstrukturierung nicht beeinflußt wird, während in den Anschlußzonen die Wölbstruktur geglättet wird. Um dies zu erreichen, ist der Stempel des Prägewerkzeugs mehrteilig ausgestaltet: Der Stempel umfaßt einen Fixierstempel, der in einem der Bauteil-Versteifungszone entsprechenden Bereich des Stempels angeordnet ist und dessen Funktion - in Zusammenwirkung mit einem voreilenden Fixierelement auf der Matrize - darin besteht, den Rohling im Werkzeug zu fixieren, ohne ihn zu verformen. Weiterhin umfaßt der Stempel einen gegenüber dem Fixierstempel verschiebbaren Umformstempel, der in dem der Anschlußzone des Bauteils entsprechenden Bereich des Stempels angeordnet ist und dessen Funktion - in Zusammenwirkung mit einem diesem Umformbereich gegenüberliegenden Teil der Matrize - darin besteht, das Blech in der Anschlußzone lokal zu glätten (siehe Anspruch 3).
  • Zur Herstellung des Bauteils wird zunächst der Fixierstempel des Prägewerkzeugs auf Pinolen hochgefahren, und der Bauteil-Rohling wird in der gewünschten Ausrichtung auf den Fixierstempel aufgelegt; durch Absenken der Matrize des Prägewerkzeugs wird dann der Rohling im Bereich der Versteifungszone durch das voreilende Fixierelement der Matrize gegenüber dem Stempel eingespannt; die Lage des Rohlings im Werkzeug ist somit fixiert. Anschließend wird die Matrize weiter abgesenkt, wobei zwischen den einander entsprechenden Umformbereichen auf Stempel und Matrize die Anschlußzone ausgeformt wird (siehe Anspruch 1).
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prägewerkzeugs lassen sich somit auf dem wölbstrukturierten Rohling geglättete Anschlußzonen erzeugen, in denen die Wölbstruktur größtenteils entfernt ist. In diesen Anschlußzonen können die Bauteile in folgenden Produktionsschritten unter Zuhilfenahme herkömmlicher Fügeverfahren - beispielsweise durch Punktschweißen bzw. Nahtschweißen im Rohbau bzw. durch Schraubverbindungen in der Montage - mit Anschlußteilen verbunden werden. Die Wölbstruktur der Versteifungszonen bleibt dabei unverformt erhalten. Somit lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prägewerkzeugs auf reproduzierbare Weise Bauteile erzeugen, welche in ausgewählten Versteifungszonen mit einer (näherungsweise richtungsunabhängigen) Wölbstruktur versehen sind, in benachbarten Anschlußzonen jedoch eine näherungsweise glatte Oberflächenstruktur aufweisen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stirnfläche des Fixierstempels mit einer Oberflächenkontur versehen, welche der Wölbstrukturierung des Rohlings entspricht (siehe Anspruch 4). Dies hat den Vorteil, daß beim Einlegen des Rohlings in das Prägewerkzeug eine definierte Ausrichtung und Lage des Rohlings im Werkzeug unterstützt wird, die der Lage und Ausrichtung der Oberflächenstruktur des Fixierstempels entspricht. Insbesondere kann auf diese Weise die Wölbstruktur des Blechs hochgenau gegenüber den Umformbereichen des Prägewerkzeugs ausgerichtet werden, so daß die im Zuge des Prägevorgangs erzeugte geglättete Anschlußzone hochgenau gegenüber der Wölbstruktur der Versteifungszone positioniert ist.
  • Das mit dem Fixierstempel zusammenwirkende voreilende Fixierelement der Matrize besteht vorzugsweise aus einem elastischen Werkstoff, insbesondere aus einem Gummi (siehe Anspruch 5). Beim Absenken des in der Matrize geführten Fixierelements auf die wölbstrukturierte Oberfläche des zu fixierenden Rohlings paßt sich die Stirnfläche des Fixierstempels elastisch der Wölbstruktur an; beim weiteren Absenken der Matrize wird das Fixierelement komprimiert, wodurch die durch das Fixierelement ausgeübte Fixierkraft auf den Rohling erhöht wird. Der Rohling ist somit während des Glättens der Anschlußzone mit hoher Kraft (und somit verrutschsicher) zwischen Fixierstempel und Fixierelement eingespannt.
  • Alternativ kann das Fixierelement als federgelagerter Schieber ausgestaltet sein, dessen Stirnfläche mit einer (zur Stirnfläche des Fixierstempels komplementären) Wölbstruktur versehen ist (siehe Anspruch 6). In diesem Fall ist der Rohling im Bereich der Versteifungszone formschlüssig zwischen Fixierelement und Fixierstempel eingespannt.
  • Im Zuge der Glättung der Anschlußzone muß die Oberflächenvergrößerung, die während der Wölbstrukturierung im Zuge der Herstellung des Rohlings erzeugt wurde, in gezielter Weise abgebaut werden. Um dabei Faltenbildung und/oder die Entstehung von Ausstrahlungen auf dem Bauteil zu vermeiden, ist es zweckmäßig, "Verbraucher" vorzusehen, welche einen definierten Fluß des überschüssigen Werkstoffs gewährleisten. Als solche "Verbraucher" dienen Sicken, die in der Anschlußzone - vorteilhafterweise nahe am Übergang zur Versteifungszone - vorgesehen werden (siehe Anspruch 2). Zur Ausformung dieser Sicken sind in den Umformbereichen des Prägewerkzeugs Sickenbereiche vorgesehen (siehe Anspruch 7).
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zeigen:
    • Fig. 1a
    einen wölbstrukturierten Rohling;
    Fig. 1b
    ein aus dem Rohling der Figur 1a gefertigtes Bauteil;
    Fig. 2
    eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Prägewerkzeugs während der Herstellung des Bauteils:
    Fig. 2a geöffnetes Prägewerkzeug beim Einlegen des Rohlings;
    Fig. 2b Fixierung des Rohlings im Prägewerkzeug mit Hilfe von voreilenden Fixierelementen;
    Fig. 2c geschlossenes Prägewerkzeug mit fertigem Bauteil;
    Fig. 3
    eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Prägewerkzeugs:
    Fig. 3b Matrize mit voreilenden Fixierelementen;
    Fig. 3b zweiteiliger Stempel.
  • Figur 1a zeigt einen Rohling 1 aus wölbstrukturiertem Blech, aus dem mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prägeverfahrens ein in Figur 1b dargestelltes Bauteil 2 - im vorliegenden Beispiel eine Kraftfahrzeug-Rückwand 3 - hergestellt wird; die Außenkontur des Bauteils 2 ist auf dem Rohling 1 der Figur 1a gestrichelt angedeutet. Das Bauteil 2 weist eine wölbstrukturierte Versteifungszone 4 auf, in der die ursprüngliche Wölbstrukturierung des Rohlings 5 erhalten bleibt; in den Randbereichen 6,6',6" sowie in einem im Bauteilinneren liegenden Bereich 7 ist das Bauteil 2 mit Anschlußzonen 8,9 versehen, welche weitgehend frei von Wölbstrukturen sind und die Form von flachen Flanschen haben. Die Wölbstruktur 5 des Rohlings 1 bzw. der Versteifungszone 4 des Bauteils 2 hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine hexagonale Symmetrie, was in den Figuren 1a und 1b schematisch durch ein Wabenmuster angedeutet ist. Die Gitterkonstante 10 sowie die Wölbhöhe des Wabenmusters 5 ist dabei der Dicke des Bauteils 2 sowie der gewünschten Steifigkeitserhöhung (bzw. den gewünschten Schwingungseigenschaften) des Bauteils 2 angepaßt. - Alternativ zu der in Figuren 1a und 1b gezeigten hexagonalen Wölbstruktur 5 kann der Rohling 1 bzw. das Bauteil 2 auch eine Wölbstruktur mit einer trigonalen oder einer rechteckigen Grundsymmetrie aufweisen.
  • Die Erzeugung des wölbstrukturierten Rohlings 1 aus einem (in den Figuren nicht dargestellten) ebenen Blech erfolgt mit Hilfe eines Beulverfahrens, das beispielsweise in der DE 44 37 986 A1 im Detail beschrieben ist. Da das Einbringen der Wölbstruktur 5 in einem Durchlaufverfahren erfolgt, weist der Rohling 1 die Wölbstrukturierung 5 auf seiner gesamten Oberfläche auf; alternativ kann der Rohling 1 in einem (oder mehreren) bandartigen Streifen (entsprechend der Vorschubrichtung des Beulverfahrens) mit einer Wölbstrukturierung 5 versehen sein, in benachbarten Streifen jedoch frei von Wölbstrukturen sein.
  • Die - weitgehend flachen - Anschlußzonen 8,9 des Bauteils 2, welche unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf dem Rohling 1 erzeugt werden, dienen zur Verbindung des Bauteils 2 mit anderen Baugruppen, an die das Bauteil 2 im Zuge des Rohbaus bzw. der Montage angefügt (insbesondere verschweißt bzw. verschraubt) wird.
  • Zur Herstellung des Bauteils 2 der Figur 1b aus dem Rohling 1 der Figur 1a kommt erfindungsgemäß ein Prägeverfahren zum Einsatz. Als Beispiel einer zugehörigen Prägevorrichtung zeigen Figuren 2a bis 2c in einer schematischen, stark vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt einer Presse 11, die einen hubbeweglichen Pressenstößel 12 sowie einen raumfesten Pressentisch 13 enthält. Das zum Umformen des Bauteil-Rohlings 1 erforderliche Prägewerkzeug 14 besteht aus einem Stempel 15 und einer Matrize 16. Im vorliegenden Fall ist der Stempel 15 - als der stationäre Teil - auf dem Pressentisch 13 und die Matrize 16 - als der hubbewegliche Teil - an dem Pressenstößel 12 befestigt. Perspektivische Aufsichten auf die Matrize 16 und den Stempel 15 sind in Figuren 3a und 3b dargestellt.
  • Die Matrize 16 umfaßt einen Matrizen-Grundkörper 17, aus dem zwei voreilende Fixierelemente 18 herausragen. Die voreilenden Fixierelemente 18 sind durch hülsenförmigen Abschnitte 19 aus einem Gummi gebildet, welche durch Dorne 20, die im Inneren dieser Hülsen 19 verlaufen, lagefixiert werden. Der Matrizen-Grundkörper 17 umfaßt einerseits Wölbbereiche 21, deren Stirnflächen 22 eine dem Rohling 1 entsprechende Wölbstruktur 5 aufweisen; diese Wölbstrukturierung 5 ist in Figuren 2a bis 2c zur besseren Kenntlichmachung stark überhöht dargestellt. Weiterhin umfaßt der Matrizen-Grundkörper 17 Glättungsbereiche 23,24, welche eine im wesentlichen glatte Oberfläche aufweisen; schließlich umfaßt der Matrizen-Grundkörper 17 Aussparungen 25.
  • Der Stempel 15 ist zweiteilig ausgeführt und besteht aus einem zentralen Fixierstempel 26, welcher von einem ringförmigen Umformstempel 27 umgeben ist. Der Fixierstempel 26 weist zwei näherungsweise kreisförmige Druckbereiche 28 sowie umlaufende Randbereiche 29 auf, deren Stirnflächen mit einer Oberflächenkontur 30,30' versehen sind, welche der wölbstrukturierten Oberflächenkontur 5 des Rohlings 1 entspricht. Die Oberflächenkontur 30' der Randbereiche 29 des Fixierstempels 26 ist exakt komplementär zur Konturierung der Wölbbereiche 21 des Matrizen-Grundkörpers 17 gestaltet, so daß beim Absenken des Pressenstößels 12 die Matrize 16 und der Stempel 15 in diesen Bereichen 21,29 einander formschlüssig entsprechen. - Der Umformstempel 27 weist einen Glättungsbereich 31 auf, welcher komplementär zu dem gegenüberliegenden Glättungsbereich 23 der Matrize 16 gestaltet ist. Zusätzlich zu im wesentlichen flachen Bereichen weisen die Glättungsbereiche 23,31 der Matrize 16 bzw. des Umformstempels 27 komplementäre Vorsprünge 32 bzw. Vertiefungen 33 auf, welche dem Einprägen von Sicken 34 in den Rohling 1 dienen. Diese Sicken 34 auf dem Bauteil 2 wirken - wie im folgenden ausgeführt wird - als "Verbraucher", welche den während des Prägeprozessses in den Anschlußzonen 8 anfallenden, überschüssigen Werkstoff aufnehmen.
  • Figuren 2a bis 2c zeigen mehrere Stufen bei der Herstellung des Bauteils 2 mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prägewerkzeugs 14. Figur 2a zeigt das geöffnete Werkzeug 14 zu Beginn des Prägeprozesses. Der aus einem wölbstrukturierten Halbzeug ausgeschnittene Rohling 1 der Figur 1 wird in einer solchen Weise in das Preßwerkzeug 14 eingelegt, daß die Lage und Orientierung der Wölbstruktur 5 des Rohlings 1 exakt mit der Lage und Orientierung des auf dem Druckbereich 28 und den Randbereichen 29 des Fixierstempels 26 vorgegebenen Wölbstruktur 30 übereinstimmt. Dies ist wichtig, da (insbesondere in den Übergangsbereichen 35 zwischen Versteifungszonen 4 und Anschlußzonen 8) die Orientierung der Wölbstruktur 5 des Blechs die direktionale Steifigkeit des Bauteils 2 beeinflußt. Im vorliegenden Fall sollte beispielsweise - wie im Rahmen von numerischen Festigkeitsuntersuchungen ermittelt wurde - die Wölbstruktur 5 in den Versteifungsbereichen 4 in einer solche Weise orientiert sein, daß die Symmetrieachse 36 des Bauteils 2 - wie in Figur 1b gezeigt - mit einer der Symmetrieachsen der hexagonalen Wölbstruktur 5 übereinstimmt. Weiterhin müssen die Anschlußzonen 8 so gegenüber der Versteifungszone 4 angeordnet sein, daß im Bereich des oberen Randes 6' der Übergang 35' zwischen Versteifungszone 4 und Anschlußzone 8 durch die gezackten Ränder des wölbstrukturierten Musters 5 gebildet wird, während im Bereich des unteren Randes 6" der Übergang 35" zwischen Versteifungszone 4 und Anschlußzone 8 zentral durch die Sechsecke der Wölbstruktur 5 verläuft. Diese gewünschte Ausrichtung der Wölbstruktur 5 gegenüber der Symmetrieachse 36 ist im Prägewerkzeug 14 durch die Ausrichtung der Wölbstruktur 30,30' im Fixierstempel 26 vorgegeben.
  • Die hochgenaue Positionierung des Rohlings 1 gegenüber dem Fixierstempel 26 kann auf zwei unterschiedliche Weisen erfolgen: Entweder kann der Zuschnitt des Rohlings 1 so hochgenau erfolgen, daß ausgewählte Ränder 37,37' des Rohlings 1 in bezug auf Lage und Orientierung hochgenau gegenüber der Wölbstruktur 5 des Rohlings 1 ausgerichtet sind; so ist z.B. der Rohling 1 der Figur 1a exakt so zugeschnitten, daß die Ränder 37,37' genau durch die Mittelpunkte benachbarter Waben verlaufen. In diesem Fall erfolgt die hochgenaue Positionierung des Rohlings 1 im Fixierstempel 26 mit Hilfe von (in den Figuren nicht dargestellten) Positionierstiften, an die die Ränder 37,37' des Rohlings 1 angeschlagen werden. Dies setzt voraus, daß der Rohling 1 mit der erforderlichen Genauigkeit (im Regelfall 0,1 mm) beschnitten wurde. - Alternativ bzw. zusätzlich kann eine Ausrichtung des Rohlings 1 im Fixierstempel 26 auf eine solche Weise erfolgen, daß der Rohling 1 - unter Nutzung der Schwerkraft - so in den Fixierstempel 26 hineingelegt wird, daß die Wölbstruktur 5 des Rohlings 1 exakt mit der durch die Oberflächenkontur 30,30' des Fixierstempels 26 vorgegebenen Ausrichtung der Wölbstruktur übereinstimmt. Die hochgenaue Ausrichtung des Rohlings 1 gegenüber der Wölbstruktur 30 des Fixierstempels 26 ist notwendig, um sicherzustellen, daß die Wölbstuktur 5 des Rohlings 1 in den Versteifungszonen 4 während des Prägeprozesses eine möglichst geringe Beschädigung erleidet, so daß diese Versteifungszone 4 auf dem Bauteil 2 möglichst unbeschadet erhalten bleibt.
  • Wie in Figur 2a gezeigt, ist der Fixierstempel 26 gegenüber dem Umformstempel 27 federgelagert und - bei geöffnetem Prägewerkzeug 14 - voreilend angeordnet. Somit ist bei geöffnetem Prägewerkzeug 14 der Umformstempel 27 mit den in den Glättungsbereichen 31 vorgesehenen Vorsprüngen 32 vertikal versetzt gegenüber dem Fixierstempel 26 angeordnet, so daß der voreilenden Fixierstempel 26 in dieser Werkzeugstellung dem Rohling 1 wölbstrukturierte Bereiche 28,29 darbietet, auf die der Rohling 1 in eindeutiger Lage und Ausrichtung eingelegt werden kann.
  • Ist der Rohling 1 - wie in Figur 2a angedeutet - in der gewünschten Lage und Orientierung in das Preßwerkzeug 14 eingelegt, so wird der Pressenstößel 12 abgesenkt (siehe Figur 2b). Dabei kontaktieren zunächst die voreilenden Fixierelemente 18 den Rohling 1. Beim weiteren Absenken des Pressenstößels 12 wird der Rohling 1 zwischen den voreilenden Fixierelementen 18 der Matrize 16 und den ihnen gegenüberliegenden Druckbereichen 28 des Fixierstempels 26 eingespannt. Diese Einspannung stellt sicher, daß der Rohling 1 während des nun folgenden Prägevorgangs nicht verrutscht, sondern in der gewünschten Lage und Ausrichtung im Prägewerkzeug 14 fixiert ist.
  • Beim weiteren Absenken des Prägestempels 12 bewirkt der auf die Fixierelemente 18 wirkende Pressendruck eine Kompression der Fixierelemente 18, was zu einer zusätzlichen Druckausübung auf den Rohling 1 - und somit zu einer verbesserten Fixierung im Werkzeug 14 - führt. Durch den Freiraum 25 der den Fixierelementen 18 benachbarten Bereichen der Matrize 16 wird die dabei auftretende Auswölbung der gummielastischen Fixierelemente 18 nicht behindert. Die Härte bzw. der Voreilabstand 39 der Fixierelemente 18 ist so dimensioniert, daß durch die Fixierelemente 18 eine bestimmte gewünschte Haltekraft auf den Rohling 1 ausgeübt wird, wenn der eigentliche Prägeprozeß beginnt. Die in Figuren 2a bis 2c gezeigte Ausgestaltung des Fixierstempels 18 als Gummifeder hat den Vorteil, daß das elastische Material des Fixierstempels 18 Toleranzen in der Wölbstruktur 5 des Rohlings 1 bzw. Ungenauigkeiten während des Einlegens des Rohlings 1 ausgleichen kann: Durch seitliches Ausweichen des Gummiwerkstoffs kann der Rohling 1 dabei vom Fixierelement 18 in die Wölbstruktur 30 des gegenüberliegenden Druckbereichs 28 auf dem Fixierstempel 26 hineingedrückt werden. Alternativ kann das Fixierelement 18 durch eine Gasdruckfeder gebildet sein, deren Stirnseite mit einer den Druckbereichen 28 komplementären Wölbstrukturierung versehen ist. Gegebenenfalls kann weiterhin zum Toleranzausgleich zwischen dem Druckbereich 28 und dem Rohling 1 eine Gummimatte untergelegt werden.
  • Ist der Pressenstößel 12 so weit abgesenkt, daß die Wölbbereiche 21 der Matrize 16 den Rohling 1 berühren, so ist der Rohling 1 auch in diesen Bereichen zwischen Matrize 16 und Fixierstempel 26 eingespannt. Ein weiterer Vorschub des Pressenstößels 12 führt nun zu einer Zurückdrängung des federgelagerten Fixierstempels 26 mitsamt des eingespannten Rohlings 1. Dabei wird der eingespannte Rohling 1 auf den den Fixierstempel 26 umgebenden Umformstempel 27 gedrückt, wodurch auf dem Rohling 1 die seitlichen Anschlußzonen 8 sowie die in diesen Bereichen vorgesehenen Sicken 34 ausgeformt werden; gleichzeitig wird die zentrale Anschlußzone 9 ausgeformt. Zur Ausprägung dieser Anschlußzonen 8,9 bzw. Sicken 34 wird der Pressenstößel 12 auf den unteren Totpunkt abgesenkt. Während dieses Prägeprozesses wirkt der Fixierstempel 26 als Niederhalter, der in den Übergangsbereichen 35 einen definierten Materialfluß aus der benachbarten Versteifungszone 4 in die Anschlußzone 8 hinein gestattet.
  • Die Ausformung der Anschlußzone 8 ist mit einer Umverteilung des in diesen Bereichen vorliegenden Werkstoffs verbunden: Insbesondere muß die im Zuge der Wölbstrukturierung erzeugte Oberflächenvergrößerung gezielt verbraucht werden, um die Entstehung von Falten bzw. Ausstrahlungen auf dem Bauteil 2 zu vermeiden. Dies wird durch die Sicken 34 erreicht, welche zu einem gezielten Materialfluß führen, dem Bauteil 2 eine gute Formstabilität geben und die Entstehung langwelliger Beulstrukturen (sogenannter "Frösche") auf dem Bauteil 2 unterbinden. Die genaue Position, Höhe, Breite und Ausrichtung der Sicken 34 wird dabei zweckmäßigerweise in einer Simulation des Prägeprozesses ermittelt, welche die Dehnungseigenschaften des verwendeten Materials, die Eigenschaften der Wabenstruktur etc. explizit in Betracht zieht. Die Sicken 34 sind so untereinander abgestimmt, daß langwellige Beulstrukturen auf dem Bauteil 2 vermieden werden.
  • Auch in der mittig in der Versteifungszone 4 vorgesehenen Anschlußzone 9 ist randseitig eine umlaufende Sicke 40 vorgesehen, welche als Verbraucher dient und einerseits eine Faltenbildung in der geglätteten Anschlußzone 9 unterbindet, andererseits Ausstrahlungen in die Versteifungszone 4 hinein vermeidet. Zur Ausformung dieser Sicke 40 ist der der Anschlußzone 9 entsprechende Glättungsbereich 41 auf dem Fixierstempel 26 gegenüber dem ihn umgebenden, oberflächenkonturierten Randbereich 29 abgesenkt, so daß an dieser Stelle eine (einem Verbraucher entsprechende) Stufe 42 auf dem Fixierstempel 26 vorgesehen ist. Auf dem Matrizen-Grundkörper 17 ist eine komplementär gestaltete Stufe 42' vorgesehen.
  • Nach Beendigung des Prägeprozesses wird der umgeformte Rohling 1 laserbeschnitten, um das Bauteil 2 der Figur 1b zu erhalten. Alternativ kann die Beschneidung nach dem Prägevorgang mittels eines Schneidwerkzeugs erfolgen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Bauteilen 2 aus Aluminiumblechen, kann aber weiterhin zur Umformung von Rohlingen 1 aus beliebigen tiefziehfähigen Werkstoffen verwendet werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Metallblech, insbesondere eines Karosserieblechs,
    - mit einer Versteifungszone (4), in der das Bauteil mit einer steifigkeitserhöhenden Wölbstrukturierung versehen ist
    - und mit einer näherungsweise wölbstrukturfreien Anschlußzone (8,9),
    wobei als Rohling (1) zur Herstellung des Bauteils ein wölbstrukturierter Blechzuschnitt verwendet wird,
    mit den folgenden Verfahrensschritten:
    - der Rohling (1) wird in ein Prägewerkzeug (14) mit einem Stempel (15) und einer Matrize (16) eingelegt;
    - durch Absenken der Matrize (16) wird der Rohling (1) im Bereich der wölbstrukturierten Versteifungszone (4) durch ein der Matrize (16) voreilendes Fixierelement (18) gegenüber dem Stempel (15) fixiert;
    - durch weiteres Absenken der Matrize (16) wird zwischen Stempel (15) und Matrize (16) die Anschlußzone (8,9) durch eine Glättung der Wölbstrukturierung ausgeformt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im Zuge des Ausformens der Anschlußzone (8,9) Sicken (34,40) in die Anschlußzone (8,9) eingeformt werden.
  3. Prägewerkzeug zur Herstellung eines Bauteils mit einer wölbstrukturierten Versteifungszone und einer weitgehend wölbstrukturfreien Anschlußzone, ausgehend von einem Rohling aus wölbstrukturiertem Blech,
    - wobei das Prägewerkzeug einen Stempel und eine Matrize aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Matrize (16) ein voreilendes Fixierelement (18) zur Fixierung des Rohlings (1) im Werkzeug (14) sowie einen Matrizen-Grundkörper (17) aufweist,
    - und daß der Stempel (15) des Prägewerkzeugs (14) mehrteilig ausgestaltet ist und einen mit dem Fixierelement (18) der Matrize (16) zusammenwirkenden Fixierstempel (26) sowie einen gegenüber dem Fixierstempel (26) verschiebbaren Umformstempel (27) umfaßt,
    - wobei der Matrizen-Grundkörper (17) und der Umformstempel (27) mit zusammenwirkenden Glättungsbereichen (31,41,23,24) zur Ausprägung der Anschlußzone (8,9) auf dem Bauteil (2) versehen sind.
  4. Prägewerkzeug nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Stirnfläche des Fixierstempels (26) mit einer der Wölbstrukturierung (5) des Rohlings (1) entsprechenden Oberflächenkontur (30) versehen ist.
  5. Prägewerkzeug nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das voreilende Fixierelement (18) der Matrize (16) aus einem elastischen Werkstoff, insbesondere aus einem Gummi, besteht.
  6. Prägewerkzeug nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das voreilende Fixierelement (18) der Matrize (16) als federgelagerter Schieber ausgestaltet ist, dessen Stirnfläche mit einer Wölbstruktur versehen ist.
  7. Prägewerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Glättungsbereiche (31,41,23,24) der Matrize (16) und des Stempels (15) Sickenbereiche (32,33,42,42') zur Ausprägung von Sicken (34,40) auf dem Bauteil (2) umfassen.
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